FACULTAD DE INGENIERA ESCUELA ACDEMICA DE INGENIERA DE MINAS

TEMA: PERFORACIONES (SONDEOS)

INTEGRANTES:Bazn Cruzado MoissCabrera Monteza LilianaGuerrero Villoslada AnalMuoz ScratesPaz Crdenas JoaoRodriguez Meja Jorge

DOCENTE:Ing Carla Mena Nevado

CURSO:Geologa Minera

CICLO:V

2015DEDICATORIA Y AGRADECIMIENTO

INTRODUCCION

INDICE

1. La hidrogeologa

Es la ciencia que estudia el ciclo del agua en la naturaleza y su evolucin en la superficie de la tierra y en el suelo, bajo sus tres estados fsicos, gaseoso, lquido y slido.

La hidrologa estudia la fase del ciclo del agua que comienza con la llegada del agua a la superficie de la tierra. Encierra por consiguiente: Las precipitaciones, las aguas superficiales, la evapotranspiracin, la infiltracin y las aguas subterrneas.

La hidrologa de las aguas subterrneas o hidrogeologa, se define como el estudio del origen, ocurrencia, reparticin y distribucin del agua debajo de la superficie del suelo, estudia adems los movimientos inherentes a ella.

2. El ciclo hidrolgico del agua

Se denomina ciclo hidrolgico del agua al movimiento permanente del agua desde la tierra hasta la atmsfera y su regreso a la tierra. El agua puede presentar tres estados: slido, lquido y gaseoso.

A su vez el ciclo hidrolgico presenta diversas etapas, como son: evaporacin, transpiracin, condensacin, escorrenta y percolacin.

Evaporacin: El agua de los ros, lagos y mares se evapora por la accin del sol. La transpiracin es una evaporacin pues el agua proveniente de las plantas y de los animales va a la atmsfera.

Escorrenta superficial: Cuando parte de la lluvia cae sobre la superficie de la tierra y forman corrientes, que llegan a los ros, lagunas, mares, etc.

Escurrimiento subterrneo: Ocurre cuando parte del agua penetra (se percola) en el suelo, formando manantiales, pozos, etc.

Condensacin (precipitacin): El agua evaporada que forma las nubes, al llegar a zonas fras, se condensa y cae en forma de lluvia.

2.1. Clasificacin de las aguas naturales segn el ciclo hidrolgico

El ciclo del agua evoluciona en tres medios diferentes: la atmsfera, la superficie del suelo y el subsuelo. De esta manera tenemos la siguiente clasificacin:

Aguas atmosfricas o metericas: Conformada por las lluvias, nieve, granizo, humedad, nubes.

Aguas superficiales: Conformada por escurrimientos, ros, lagos y mares.

Aguas subterrneas: Conformada por el agua que percola a travs de los estratos de la tierra y recibiendo un tratamiento natural, conforma los ros subterrneos (acuferos).

En el cuadro siguiente muestra la distribucin del agua en el planeta:TIPO DE AGUAUBICACIN%CARACTERSTICAS

SALADA97.5%Ocanos 94.08Cubren el 71% de la superficie de la Tierra

Aguas subterrneas salobres y lagos de agua salada5.92Incluye a los mares interiores

AGUA DULCE2.5%Hielo y nieve69.91En forma de glaciares y capas de nieves permanentes

Aguas freticas30La mayor parte en acuferos profundos de difcil acceso

Lagos y ros 0.25Los lagos representan la mayora

Suelos, humedales y biota0.10Agua contenida en lodo, humedad del suelo, pantanos, flora y fauna

Vapor de agua en atmsfera0.04Vapor y nubes, representa seis veces ms que todos los ros del mundo

3. Aguas subterrneas3.1. Generalidades

El agua que se infiltra en el suelo se denomina agua subsuperficial, pero no toda se convierte en agua subterrnea. Tres son los hechos fundamentales que tienen relacin con esta agua:

a) Primero, que puede ser devuelta a la superficie por fuerzas capilares y evaporada hacia la atmsfera, ahorrndose as gran parte de su recorrido dentro del ciclo hidrolgico descrito.

b) Segundo, que puede ser absorbida por las races de las plantas que crecen en el suelo, ingresando de nuevo a la atmsfera, a travs del proceso de la transpiracin.

c) Tercero, que la que se ha infiltrado profundamente en el suelo, puede ser obligada a descender por la fuerza de gravedad hasta que alcance el nivel de la zona de saturacin que constituye el depsito de agua subterrnea y que abastece de la misma a los pozos.

Es preciso conocer que, desde el punto de vista geohidrolgico, existen dos grandes tipos de rocas:

Las rocas con permeabilidad de intersticios o de pequea permeabilidad, como las arenas y las gravas.

Las de permeabilidad de fisuras o de gran permeabilidad, donde el tipo predominante es la roca calcrea.

Siendo una formacin permeable aquella que adems de ser porosa, tiene los poros conectados entre s, por lo que permite que se almacene agua y se desplace a travs de ella.

3.2. Distribucin vertical de las aguas subterrneas

Para comprender las manifestaciones del agua subterrnea, se requiere estudiar la distribucin vertical de esta dentro de los materiales geolgicos subsuperficiales o formaciones. A mayor o menor profundidad todos los materiales de la corteza terrestre, son normalmente porosos. Los poros o aberturas pueden encontrarse parcial o totalmente saturados de agua.

a) Zona de aireacin

Es el estrato superior, en donde los poros o aberturas estn slo parcialmente llenos de agua. Esta zona se divide en tres franjas:

La humedad del suelo: Es importante para la agricultura, puesto que suministra el agua necesaria para el crecimiento de las plantas.

La franja intermedia: Escapa del alcance de la races de la mayora de las plantas.

Su espesor vara de acuerdo con los tipos de suelo y de la vegetacin.

La franja capilar: Slo en algunos casos las races de las plantas alcanzan esta franja. El espesor de esta franja vara en razn inversa a la granulometra y depende del tamao de los granos del material.

b) Zona de saturacin

Se encuentra por debajo de la zona de aireacin, los poros o aberturas se encuentran completamente llenos de agua.

Tambin se le llama zona de agua sostenida. Es el dominio de las aguas subterrneas pudiendo alimentar los pozos y las fuentes. Las aguas de percolacin se localizan en esta zona, llamaremos a esta zona de saturacin Capa o Manto Acufero.

La parte superior, lmite de la zona de saturacin es una superficie de equilibrio, la presin del agua es igual, en todos los puntos, a la presin atmosfrica; es la superficie libre de las aguas subterrneas o Nivel Fretico.

Podemos decir entonces que la zona de saturacin es aquella comprendida bajo el nivel fretico.

3.3. El acufero

Se llama formacin acufera a cualquier estrato geolgico capaz de almacenar y transmitir agua. Por consiguiente, para que un pozo produzca agua se necesita que est en contacto con una formacin acufera.

Las formaciones gneas y metamrficas por lo general no dan paso al agua debido a que son poco permeables. Estas formaciones slo permiten el paso del agua a travs de grietas o canales formados en ellas.

Las rocas y formaciones de tipo sedimentario constituyen la mayora de los acuferos, debido a que son los ms porosos y las ms permeables.

Una definicin simple de acufero es la siguiente: Es la capa superior del agua subterrnea.

3.3.1. Tipos de acufero

a) Acuferos de nivel fretico

Son los acuferos que tienen la parte superior del agua contenida en ellos a presin atmosfrica. En los pozos perforados en estos acuferos se encuentra el agua tan pronto como se llegue a la zona saturada, constituyendo este nivel de saturacin al nivel esttico del agua

b) Acuferos artesianos

Son los acuferos que tienen el agua sometida a presin por encontrarse entre dos capas impermeables que la confinan. Cuando al hacer una perforacin se rompe la capa confinante superior, el agua sube hasta el nivel esttico, que est determinado por un agente de recarga (ro, lago, etc.) en contacto con el acufero.

3.3.2. Funciones del acufero

Las funciones ms importantes que realiza un acufero son dos: Almacenar agua y transmitir agua.

Este almacena agua sirviendo como depsito y transmite agua como lo hace un conducto. Los poros o aberturas de una formacin acufera le sirven tanto de espacio de almacenamiento como de red de conductos.

El agua subterrnea se mueve constantemente a travs de distancias extensas y desde las rea de recarga hacia las de descarga. El desplazamiento es muy lento con velocidades que se miden en metros por da o metros por ao. Como consecuencia de ello y del gran volumen que su porosidad representa, un acufero retiene enormes cantidades de agua en almacenamiento inestable.

El siguiente cuadro resume algunas caractersticas de los pozos artesianos y freticos.Tipo de AcuiferoCmo se encuentra la superficie del agua?Tipo de pozo

FreticoA presin atmosfrica Pozo raso

ArtesianoA una presin mayor que la atmosfricaPozo artesiano o profundo

4. Tcnicas de Perforacin En estos tipos de sondeos, enumerados sucintamente, se emplean tcnicas diferentes de perforacin, que se adaptan al fin perseguido por los mismos.

As, en la perforacin de sondeos para la obtencin de testigo continuo se utiliza la tcnica de rotacin con corona de testigo que a su vez puede ser de dos tipos, segn el sistema de recogida del testigo: wireline o batera de doble tubo.

En la perforacin de sondeos profundos, para caracterizacin geoqumica, con muestreos de agua sin contaminar el mtodo ms apropiado es el de rotopercusin con aire a alta presin. Este mtodo similar al de rotopercusin tradicional se caracteriza por la ausencia de fluidos o espumas acompaando al aire. El problema de columna de agua es salvado mediante el uso de aire a muy alta presin (60-80 Kg/cm2), que se consigue mediante el empleo de booster conectado a la salida de los compresores.

Para la perforacin de sondeos piezomtricos y de ensayos hidrulicos se usa habitualmente el mtodo de perforacin a rotopercusin a baja presin. En reas con niveles piezomtricos de poca profundidad, la profundidad mxima que se puede alcanzar suele ser de 200 metros

Como se ve, cada sondeo exige la eleccin de un mtodo de perforacin adecuado a su finalidad y diseo. A veces es necesario utilizar mtodos mixtos, casi siempre, por imperativos de caractersticas de formacin. Es el ejemplo de estudio de formaciones arcillosas tendentes al hinchamiento en que es muy difcil obtener testigo continuo.

En estos casos se suele perforar por el mtodo Rotary con lodos adecuados que sostienen las paredes; y, eventual y peridicamente extraer testigos con la incorporacin de una batera de doble tubo.

5. TIPOS DE SONDEOS

En general, los sondeos se pueden clasificar en diversos tipos segn la finalidad para la que se construyen. Se tienen as:

Sondeos de reconocimiento o investigacin en general:Cuando por circunstancias del terreno hay que ir a ciertas profundidades. Operacin tambin indispensable, pues al ser atravesadas las diferentes capas del terreno, esto nos permitir la extraccin de muestras y por ende un mayor conocimiento de su constitucin geolgica.Para profundidades hasta de 5 metros y tratndose de terrenos de con-sistencia corriente, se usa la sonda de mano que es manejada por un solo obrero

Sondeos piezomtricos. Sondeos de monitoring o vigilancia de calidad de agua. Sondeos geotcnicos. Sondeos de inyeccin de cemento o pilotes. Sondeos de explotacin de agua. Sondeos petrolferos, que a su vez pueden ser de investigacin o de desarrollo de campo. Sondeos de inyeccin de residuos en formaciones permeables. Sondeos para la creacin de cavidades salinas Sondeos geotrmicos.

Como se ve la variedad es grande, y en cada uno de ellos se emplean mtodos de operacin especficos.

Estos sondeos tienen por objeto hacer las exploraciones necesarias para el estudio de un determinado terreno o formacin, proporcionando entre otros los siguientes datos:

Litologa, mediante el estudio del ripio, testigos y registros o digrafas.

Presiones de formacin y niveles piezomtricos de los distintos acuferos cortados.

Propiedades fsicas de las rocas tales como porosidad, permeabilidad, temperatura, existencia de fluidos, caractersticas mecnicas, etc.

Propiedades qumicas de los fluidos contenidos en la roca, salinidades, efectos corrosivos o incrustantes, concentraciones de diferentes elementos, composicin isotpica, etc.

5.1. Mtodos de perforacin de sondeos de investigacin

Para la realizacin de los diferentes tipos de sondeos enumerados ya antes mencionados, existen diversos mtodos de perforacin, que se adaptarn de distintas maneras a las condiciones de cada caso. Bsicamente todos los mtodos se pueden incluir en dos grupos, diferenciados por el sistema de trabajo de la herramienta de corte, que son percusin y rotacin. En el primer grupo se pueden incluir los siguientes mtodos:

Procedimientos manuales. Martillos de percusin con aire comprimido. Martillos en fondo. (Rotopercusin). Hinca de tubos. Mtodos de percusin con cable.Dentro del grupo de rotacin se pueden incluir:

Procedimientos manuales. Sondeos con granalla. Perforacin con hlice. Rotacin con obtencin de testigo. Mtodo Rotary. Procedimientos especiales.Cada uno de estos mtodos tiene a su vez variantes ligadas al funcionamiento y dimensiones de los diferentes mecanismos de accin o transmisin.Los sondeos perforados durante las fases de investigacin regional y local deben atender a diferentes propsitos, ya comentados en apartados anteriores. Cada uno de ellos exige diferentes especificaciones en cuanto a situacin, orientacin, profundidad, dimetro y tipos de muestras que han de recogerse. La seleccin del mtodo de perforacin y ensayos ha de adaptarse a las necesidades de cada caso particular.Los ensayos, testificacin y muestreo se realizan para determinar las condiciones naturales del agua subterrnea y del sistema que las contiene. Sin embargo, la propia perforacin altera las condiciones naturales originales por accin de los fluidos de perforacin y de los ripios generados. Los mtodos ms frecuentemente utilizados en la perforacin de rocas poco permeables son:

Perforacin con recuperacin de testigo.

Testiguera convencional en sarta de perforacin.Testificacin mediante wire-line.Barrenas de testificacin especiales.

Perforacin a destruccin (seccin total).

Rotopercusin con aire a baja presin.Rotopercusin con aire a alta presin (booster).Perforacin rotary con trconos.5.1.1. Perforacin con recuperacin de testigo

La toma de testigos suele ser necesaria durante las fases de investigacin regional y caracterizacin de emplazamiento. De este modo pueden realizarse descripciones y ensayos de laboratorio sobre los testigos, a la vez que se emplea el sondeo para ensayos hidrulicos y muestreo geoqumico.

La evolucin de las tcnicas de toma de testigos ha seguido dos tendencias. La convencional con empleo de testigueras de doble tubo, acoplada al varillaje de perforacin y la de wire line o extraccin de testigo con cable.

En la primera la batera de testigo se instala directamente sobre la sarta de perforacin. Constan de dos tubos: la barra exterior y el tubo porta testigos, que van montados mediante una cabeza que permite que el portatestigos permanezca esttico durante la rotacin de la barra exterior, alojando y protegiendo el testigo de los esfuerzos surgidos durante la perforacin.

Las barras pueden ser extradas relativamente rpido si se emplean sistemas avanzados de manejo del varillaje. La proporcin de testigo recogido frente a roca perforada es alta; por ejemplo, una barra convencional de 72 mm permite obtener testigos de 62 mm. Se puede utilizar como fluido de perforacin lodo o mejor agua con algn producto lubricante, tipo taladrina.

En la perforacin mediante wire-line, la tubera interior es independiente de la herramienta y puede extraerse mediante un cable. Por ello no es necesario sacar toda la maniobra cada vez que se completa la batera de testigo. Sus dimensiones deben ser suficientemente pequeas para poder pasar por el interior del tubo de perforacin que sustituye al varillaje.

Entre los inconvenientes hay que citar el menor tamao del testigo, el mayor costo de la corona que es ms ancha y, por fin, sus dificultades en perforar terrenos blandos que tiendan a hincharse debido a que funciona mal cuando hay que emplear lodos.

Los tiempos invertidos para perforar sondeos en una roca cristalina dura mediante e: sistema convencional y el sistema mtrico son prcticamente similares en sondeos del orden de los 500 m.

En algunos proyectos de prospeccin de minerales se 'han tomado testigos de rocas cristalinas a profundidades que alcanzan los 3000 metros. Sin embargo, en trabajos de exploracin normales raramente se superan los 1500 metros de profundidad.

5.1.2. Perforacin a rotopercusin con aire a baja presin

En perforaciones a percusin se utiliza aire comprimido para accionar un martillo de fondo, as como para extraer los ripios del fondo y refrigerar la herramienta. En lugar del martillo en fondo puede usarse tambin trconos estndares, y aadir al aire aditivos espumantes, con lo que se ampla el campo de aplicacin del mtodo.

Las velocidades de perforacin habituales son del orden de los 5 m/hora, alcanzando profundidades mximas en torno a los 150-200 m. Los dimetros de perforacin son variables, los costes son bajos y las mquinas tienen fcil movilidad. Empleando este tipo de perforacin no pueden tomarse testigos. Estos mtodos estn limitados casi exclusivamente a la perforacin de rocas consolidadas o semiconsolidadas ya que en caso contrario se pueden o bien originar grandes cavidades en el fondo o empastarse la herramienta, perdiendo sus propiedades de corte.

Entre las ventajas del mtodo cabe citar la velocidad de salida del ripio, el que no daan las formaciones permeables, no contaminan los fluidos nativos de la formacin, las barrenas tienen una larga duracin, durante la perforacin se puede estimar la permeabilidad (grosso modo) de las formaciones atravesadas.

Entre las desventajas hay que citar sus limitaciones en cuanto a tipo de formacin y el elevado costo de compra y mantenimiento de compresores.

5.1.3. Perforacin con aire alta presin (Booster Drilling)

Es una variante de la tcnica de percusin en la que se emplean presiones de aire considerablemente superiores. La circulacin de agua y ripios se mantiene mediante aire. En Suecia este mtodo ha sido ensayado hasta 500 m de profundidad con dimetros de 165 mm, aunque es posible alcanzar los 1500 m con dimetros mnimos de 140 mm. Aun se necesitan ms ensayos sobre rocas cristalinas.

La experiencia hasta el momento indica unos costes del 50% ms bajos que la perforacin con toma de testigo.

Este mtodo es de difcil aplicacin a materiales blandos debido a la alta presin de inyeccin del aire.

Sin embargo es tambin muy adecuado cuando se planean ensayos de interferencia hidrulica a gran escala. Los grandes dimetros obtenidos en la perforacin con aire permiten la instalacin de bombas sumergidas de gran capacidad.

5.1.4. Perforacin rotary con triconos

Esta modalidad de perforacin a rotacin ampliamente conocida en investigacin minera y petrolera se utiliza cuando ha de perforarse a grandes profundidades (varios miles de metros). Con ella se alcanzan las mayores velocidades de perforacin en sondeos de dimetro grande.

Constituye quizs el mtodo de perforacin ms utilizado, ofreciendo como principales ventajas las siguientes:

Velocidad de perforacin alta. Necesidades de tuberas durante la perforacin muy bajas. Rapidez de montajes y traslados. Rpida instalacin de tuberas y acabados. Gran profundidad de investigacin.Entre las desventajas cabe citar: Las mquinas de perforacin pueden ser costosas. Se requiere un mantenimiento sofisticado. Las mquinas necesitan al menos dos personas. La toma de muestras de formacin requiere un procedimiento especial. El uso de los fluidos de perforacin puede daar las formaciones No pueden trabajar para condiciones extremas de temperatura. El manejo de los fluidos de perforacin requiere un conocimiento adicional y experiencia.

6. Mtodos de perforacin de pozos

Una perforacin es un hueco que se hace en la tierra, atravesando diferentes estratos, entre los que puede haber unos acuferos y otros no acuferos; unos consolidados y otros no consolidados. Cada formacin requiere un sistema de perforacin determinado, por lo que a veces un mismo pozo que pasa por estratos diferentes obliga a usar tcnicas diferentes en cada uno de los estratos.

Una misma perforacin puede atravesar varios acuferos, por lo que es conveniente valorar cada uno de ellos para definir cules deben ser aprovechados a la hora de terminar el pozo.

La determinacin de si una formacin es acufera o no, as como de su permeabilidad, se hace con base en las muestras que el perforador obtiene durante el transcurso de la perforacin; de aqu la gran importancia que tiene realizar un buen muestreo.

Existen mtodos mecanizados y manuales para perforar pozos, pero todos se basan en dos modalidades: percusin y rotacin. As mismo, se emplea una combinacin de ambas modalidades.

6.1. Perforacin por percusin

La gente de la antigua China perforaba hace 1000 aos, pozos de hasta 900 m de profundidad para explotar sal. Con un hierro pesado de la forma de una pera golpearon constantemente las rocas a perforar. Un poco de agua en el fondo del pozo se mezclaba con el polvo de roca y se extraa con baldes de tubo.

El mtodo se basa en la cada libre de un peso en sucesin de golpes rtmicos dados contra el fondo del pozo.

6.2. Perforacin por rotacin

Estos equipos se caracterizan porque trabajan girando o rotando la broca, trcono o trpano perforador

El sentido de la rotacin debe ser el mismo usado para la unin o enrosque de las piezas que constituyen la sarta de perforacin. Todas las brocas, trpanos o trconos, son diseados para cortar, triturar o voltear las distintas formaciones que pueden encontrarse a su paso. Estas herramientas son diseadas para cada tipo de formacin o terreno.

El trabajo de perforacin se realiza mediante la ayuda del lodo de perforacin el cual desempea las siguientes funciones: evita el calentamiento de las herramientas durante la operacin, transporta en suspensin el material resultante de la perforacin hacia la superficie del terreno y finalmente formar una pelcula protectora en las paredes del pozo para de esta manera impedir el desmoronamiento o el derrumbe del pozo.

La principal ventaja de este mtodo es que es ms rpido que el mtodo a percusin.

Un equipo de perforacin por rotacin motorizado tpico, tiene las siguientes partes:

Mesa de rotacinSu funcin es la de recibir la fuerza necesaria del motor para poder girar la sarta de perforacin. Estas mesas pueden ser accionadas por acople directo o por engranajes y son redondas con tamao de acuerdo a la magnitud del equipo de perforacin. En el centro lleva una abertura que puede ser cuadrada o hexagonal por la que pasa la barra giratoria llamada Kelly.

Barra giratoria o KellyEs una barra generalmente cuadrada de 4 de lado y que pasa por el centro de la mesa rotatoria y recibe de esta el necesario movimiento giratorio para poder perforar.

El extremo inferior se acopla a las brocas y el extremo superior al eslabn giratorio llamado Swivel que lo soporta conjuntamente con toda la sarta de perforacin.La barra es de acero de alta dureza y es hueca por el centro (2), para de esta manera permitir el paso del lodo de perforacin hidrulico. El Kelly puede subir, bajar o detenerse cuantas veces lo desee el perforador mediante el accionamiento de los controles respectivos.

Swivel o eslabn giratorioEs un mecanismo que va acoplado a la parte superior del Kelly, es una pieza hueca en el centro. Aqu se acopla la manguera que viene desde la bomba de lodos.

Drill pipe o tubera liviana de perforacinTubera construida con acero especial y se usa agregndose cada vez que se introduce el Kelly totalmente en el pozo y vuelve a sacarse, ya que de esta manera a dejado el espacio disponible para la tubera

Drill collars o tubera pesada de perforacinTambin conocida como Botellas o Sobrepeso. Son tubos de 6 o ms y de 10a 20 de largo y con un peso de 500 a 700 Kg. Su finalidad es aumentar el peso de la sarta de perforacin y conseguir fcilmente el corte con los trconos.

Trconos o brocas de perforacinLas brocas tienen la funcin de desagregacin de las rocas durante la perforacin de un pozo. Existe una amplia gama de trconos y cada uno est diseado para determinadas desagregar rocas con determinadas caractersticas mecnicas y abrasivas.

Bomba de lodosSu funcin principal es tomar el lodo de perforacin de la poza de lodos y llevarla por la manguera hacia el Kelly y al fondo del pozo. El lodo asciende a la superficie llevando en suspensin el detritus de la perforacin. Por un canal pasa la poza de sedimentacin donde se depositan por su propio peso partculas grandes y pesadas, arena, etc.Del pozo de sedimentacin el agua con menos material en suspensin pasa por medio de otro canal hacia el pozo principal donde nuevamente es bombeado al pozo, cerrando en ciclo.

Motor: Pueden ir acoplados al chasis del remolque o puede usarse el mismo motor del camin del equipo de perforacin. La potencia depende de la magnitud del equipo de perforacin.